The PhD presents a combined approach to improving individual car efficiency. An optimal observer, the Extended Kalman Filter, is used to create an efficiency model for the car. Particular attention was paid to handling the asynchronous and redundant nature of the measurement data. A low-cost sensor suite developed to measure data is described. This sensor suite was installed on multiple vehicles to good success. It employsan accelerometer, gps, fuel injector timer, and Vss input to measure all the data necessary to reconstruct the car's state. This observer and sensor suite can be used as the base for any study which requires car efficiency maps, allowing research to proceed without manufacturer supplied data. Once the efficiency map is found, it is then curve-fitted in order to reduce model complexity. The simplified model is then used as a basis for optimal control through Pontryagin's Maximum Principle. Real-world test results are given, both for efficiency mapping, and for optimal control. Detailed discussion of the observer and controller is presented, in order to ease understanding and save implementation time

Le véhicule hybride électrique dispose de deux sources d’énergie distinctes pour se mouvoir : le carburant, ainsi qu’un système de stockage électrique ayant la particularité d’être réversible. La loi de gestion d’énergie a pour objectif de superviser les flux de puissance dans le groupe motopropulseur en intervenant sur le point de fonctionnement des organes de celui-ci, et ce dans le but d’optimiser un critère donné. La loi de gestion d’énergie se formalise donc par un problème de commande optimale dont le critère à minimiser tient compte de la consommation de carburant du véhicule sur un trajet donné. La solution de ce problème peut se calculer hors ligne lorsque toutes les données du trajet sont parfaitement connues à l’avance, hypothèse qui n’est plus admissible pour une stratégie embarquée sur véhicule dont l’objectif est alors de s’approcher au maximum du résultat optimal. Les travaux présentés dans ce manuscrit mettent en avant la commande optimale orientée multi-objectif pour répondre à la problématique du compromis inter-prestations au coeur du développement d’un véhicule de série. Une loi de gestion d’énergie tenant compte du compromis entre consommation et agrément de conduite, ainsi qu’une autre traitant le compromis entre consommation et vieillissement batterie sont proposées. Les stratégies présentées s’inscrivent également dans une approche modulaire tirée de la solution de nature transversale issue de l’Equivalent Consumption Minimization strategy (ECMS). Ainsi, la commande du véhicule hybride rechargeable, du Mild-Hybride, ainsi que d’architectures hybrides complexes disposant d’une transmission automatique, de deux machines électriques ou deux systèmes de stockage électriques, est ici traitée à travers un socle commun. Cette approche permet de réduire le temps de développement des stratégies qui partagent un maximum d’éléments communs. / The hybrid electric vehicle uses two different energy sources to propel itself: fuel as well as a reversible electric storage system. The energy management strategy aims at supervising the power flows inside the powertrain by choosing the operating points of the different components so as to optimize a given criterion. The energy management strategy is formulated as an optimal control problem where the criterion to be minimized takes into account the total fuel consumption of the vehicle on the considered trip. The optimal solution can be calculated off-line when the vehicle’s mission is perfectly known, an assumption no longer admissible for an embedded strategy whose main objective is to get as close as possible to the optimal result. The work presented in this manuscript highlights the potential of multi-objective optimal control to handle the features’ trade-offs inherent to the development of production vehicle. An energy management strategy taking into account the trade-off between fuel consumption and drivability, as well as one dealing with the trade-off between fuel consumption and battery state of health, are proposed. The presented strategies share a modular approach following the transversal solution of the Equivalent Consumption Minimization Strategy (ECMS). As a result, the control policy of the plug-in hybrid electric vehicle, the Mild-Hybrid, together with complex hybrid architectures provided with an automated transmission, two electric machines or two electric storage systems, is tackled through a common base. This approach allows to reduce the development period of the energy management strategies which shares a maximum of common elements.

Ce mémoire présente une étude comparative de quatre stratégies de gestion énergétique temps réel, appliquées d'une part à un véhicule hybride thermique-électrique, et d'autre part à un véhicule électrique à pile à combustible : contrôle basé sur des règles empirique (RBS), minimisation de la consommation équivalente (A-ECMS), loi de commande optimale (OCL) établie à partir d'une modélisation analytique du système et programmation dynamique stochastique (SDP) associée à une modélisation des cycles de conduite par chaîne de Markov. Le principe du minimum de Pontryaguin et la programmation dynamique, applicables hors ligne, sont mis en œuvre pour fournir des résultats de référence. Les problèmes d’implémentation numérique et de paramétrage des stratégies sont discutés. Une analyse statistique effectuée sur la base de cycles aléatoires générés par chaînes de Markov permet d’évaluer la robustesse des stratégies étudiées. Les résultats obtenus en simulation, puis sur un dispositif expérimental montrent que les méthodes les plus simples (RBS ou OCL) conduisent à des consommations élevées. SDP aboutit aux meilleures performances avec en moyenne la plus faible consommation de carburant dans les conditions réelles de conduite et un état énergétique final du système de stockage parfaitement maîtrisé. Les résultats d’A-ECMS sont comparables à ceux de SDP en moyenne, mais avec une plus grande dispersion, en particulier pour l'état de charge final. Afin d'améliorer les performances des méthode, des jeux de paramètres dédiés aux différents contextes de conduite sont considérés. / This thesis presents a comparative study between four recent real-time energy management strategies (EMS) applied to a hybrid electric vehicle and to a fuel cell vehicle applications: rule-based strategy (RBS), adaptive equivalent consumption minimization strategy (A-ECMS), optimal control law (OCL) and stochastic dynamic programming (SDP) associated to driving cycle modeling by Markov chains. Pontryagin’s minimum principle and dynamic programming are applied to off-line optimization to provide reference results. Implementation and parameters setting issues are discussed for each strategy and a genetic algorithm is employed for A-ECMS calibration.The EMS robustness is evaluated using different types of driving cycles and a statistical analysis is conducted using random cycles generated by Markov process. Simulation and experimental results lead to the following conclusions. The easiest methods to implement (RBS and OCL) give rather high fuel consumption. SDP has the best overall performance in real-world driving conditions. It achieves the minimum average fuel consumption while perfectly respecting the state-sustaining constraint. A-ECMS results are comparable to SDP’s when using parameters well-adjusted to the upcoming driving cycle, but lacks robustness. Using parameter sets adjusted to the type of driving conditions (urban, road and highway) did help to improve A-ECMS performances.

Nous nous intéressons à la conception des mains mécaniques anthropomorphes destinées à manipuler des objets dans un environnement humain. Via l'analyse du mouvement de sujets humains lors d'une tâche de manipulation de référence, nous proposons une méthode pour évaluer la capacité des mains robotiques à manipuler les objets. Nous montrons comment les rapports de couplage angulaires entre les articulations et les limites articulaires, influent sur l'aptitude à manipuler dynamiquement des objets. Nous montrons également l'impact du poignet sur les tâches de manipulation rapides. Nous proposons une stratégie pour calculer les forces de manipulation en bout de doigts et dimensionner les moteurs d'un tel préhenseur. La méthode proposée est dépendante de la tâche visée et s'adapte à tout type de mouvement dès lors qu'il peut être capturé et analysé. Dans une deuxième partie, consacrée aux robots manipulateurs, nous élaborons des algorithmes de commande optimale. En considérant l'énergie cinétique du robot comme une métrique, le modèle dynamique est formulé sous forme tensorielle dans le cadre de la géométrie Riemannienne. La discrétisation temporelle est basée sur les Éléments Finis d'Hermite. Nous intégrons les équations de Lagrange du mouvement par une méthode de perturbation. Des exemples de simulation illustrent la superconvergence de la technique d'Hermite. Le critère de contrôle est choisi indépendant des paramètres de configuration. Les équations de la commande associées aux équations du mouvement se révèlent covariantes. La méthode de commande optimale proposée consiste à minimiser la fonction objective correspondant au critère invariant sélectionné. / We focus on the design of anthropomorphous mechanical hands destined to manipulate objects in a human environment. Via the motion analysis of a reference manipulation task performed by human subjects, we propose a method to evaluate a robotic hand manipulation capacities. We demonstrate how the angular coupling between the fingers joints and the angular limits affect the hands potential to manipulate objects. We also show the influence of the wrist motions on the manipulation task. We propose a strategy to calculate the fingertip manipulation forces and dimension the fingers motors. In a second part devoted to articulated robots, we elaborate optimal control algorithms. Regarding the kinetic energy of the robot as a metric, the dynamic model is formulated tensorially in the framework of Riemannian geometry. The time discretization is based on the Hermite Finite Elements.A time integration algorithm is designed by implementing a perturbation method of the Lagrange's motion equations. Simulation examples illustrate the superconvergence of the Hermite's technique. The control criterion is selected to be coordinate free. The control equations associated with the motion equations reveal to be covariant. The suggested control method consists in minimizing the objective function corresponding to the selected invariant criterion.

L’hybridation électrique de la chaîne de traction automobile est l’une des solutions adoptées pour respecter les règlementations futures sur ses émissions. La stratégie de supervision de la chaîne de traction hybride répartit la puissance produite par le moteur à combustion interne et la machine électrique. Elle répond habituellement à un problème d’optimisation où l’objectif est de réduire la consommation de carburant mais nécessite à présent d’y ajouter les émissions polluantes. La chaîne de dépollution, placée à l’échappement du moteur, permet de diminuer la quantité de polluants émise dans l’atmosphère. Cependant, elle n’est efficace qu’à partir d’un seuil de température, et dépend de la chaleur apportée par les gaz d’échappement du moteur thermique. La première partie de ce travail est donc consacrée à la modélisation de la consommation énergétique et des émissions polluantes de la chaine de traction hybride. La modélisation de l’efficacité de la chaîne de dépollution est réalisée selon deux contextes. Le modèle zéro-dimensionnel est adapté aux contraintes de calcul de la commande optimale. Le modèle unidimensionnel associé à un estimateur d’état permet d’être embarqué et calculé en temps réel. À partir de ces travaux, la seconde partie de cette thèse déduit des stratégies de supervision à l’aide de la théorie de la commande optimale. Dans un premier cas, le principe de Bellman permet de calculer la commande optimale d’un véhicule hybride Diesel selon des critères de supervision ayant plus ou moins connaissance de l’efficacité de la chaîne de dépollution des émissions de NOX. Dans un second cas, une stratégie issue du Principe du Minimum de Pontryagin, embarquée sur un véhicule hybride essence, fonctionnant en temps réel et calibrée selon deux paramètres est proposée. L’ensemble de ces travaux est validé expérimentalement au banc moteur et montre une réduction significative des émissions polluantes pour une faible pénalité de carburant. / Powertrain hybridization is a solution that has been adopted in order to conform to future standards for emissions regulations. The supervisory strategy of the hybrid powertrain divides the power emitted between the internal combustion engine and the electric machine. In past studies, this strategy has typically responded to an optimization problem with the objective of reducing consumption. However, in addition to this, it is now necessary to take pollutant emissions into account as well. The after-treatment system, placed in the exhaust of the engine, is able to reduce pollutants emitted into the atmosphere. It is efficient from a certain temperature threshold, and the temperature of the system is dependent on the heat brought by the exhaust gas of the engine. The first part of this dissertation is aimed at modelling the energy consumption and pollutant emissions of the hybrid powertrain. The efficiency model of the after-treatment system is adapted for use in two different contexts. The zero-dimensional model conforms to the constraints of the optimal control calculation. The one-dimensional model associated with a state estimator can be embedded in a vehicle and calculated in real time. From this work, the second part of this dissertation deduces supervisory strategies from the optimal control theory. On the one hand, Bellman’s principle is used to calculate the optimal control of a Diesel hybrid vehicle using different supervisory criteria, each having more or less information about the after-treatment system efficiency over NOX emissions. On the other hand, a strategy from Pontryagin’s minimum principle, embedded in a gasoline hybrid vehicle, running in real time and calibrated with two parameters, is proposed. The whole of this work is validated experimentally on an engine test bed and shows a significant reduction in pollutant emissions for a slight fuel consumption penalty.

Cette thèse est consacrée au développement de techniques de commande avancées pour des classes de systèmes non linéaires en général et pour des applications automobiles en particulier.Pour répondre au besoin du contrôle moteur, la première partie propose des nouveaux résultats théoriques sur la technique de commande non linéaire à base de modèles de type Takagi-Sugeno soumis à la saturation de la commande. La saturation de la commande est traitée en utilisant sa représentation polytopique ou une stratégie anti-windup.La deuxième partie porte sur la commande du système d'air d'un moteur turbocompressé à allumage commandé. Deux approches originales sont proposées. Dans la première, l'outil théorique concernant les modèles Takagi-Sugeno à commutation développé dans la première partie est directement appliqué. La seconde approche est basée sur une commande linéarisante robuste. L'originalité de ces approches multivariables consiste dans sa simplicité de mise en œuvre et son efficacité par rapport à celles qui existent dans la littérature.La dernière partie vise à développer des stratégies pour la gestion énergétique des systèmes électriques d'un véhicule obtenues en se basant sur le Principe du Minimum de Pontryagin. À cet effet, deux approches sont considérées : l'approche hors ligne d'optimisation utilisant les informations du futur concernant les conditions de roulage et l'approche en ligne qui est adaptée de la précédente. Ensuite, ces deux approches sont implémentées et évaluées dans un simulateur avancé. / This thesis addresses the development of some advanced control design tools for a class of nonlinear systems in general and for automotive systems in particular.Motivated by automotive applications, Part I proposes some novel theoretical results on control design for nonlinear systems under Takagi-Sugeno form subject to the control input saturation. The input saturation is dealt with by using its polytopic representation or an anti-windup strategy.Part II deals with our automotive application concerning the control of a turbocharged air system of a spark ignition engine. To this end, two novel control approaches are proposed in this part. For the first one, the theoretical design tool on switching Takagi-Sugeno controller developed in Part I is directly applied. The second one is based on a robust feedback linearization control technique. The originality of these MIMO approaches consist in their simplicity and effectiveness compared to other ones existing in the literature.Part III aims at developing the strategies, which are based on the Pontryagin's Minimum Principle in optimal control theory, for the energy management of the vehicular electric power systems in a hybrid engine configuration. To this end, both offline optimization approach using the future information of driving conditions and online implementable one have been developed and evaluated in an advanced simulator.

Cette thèse est divisée en deux parties, le fil directeur étant la contrôlabilité en temps optimal. Dans la première partie, après un rappel du principe du maximum de Pontryagin dans le cas des systèmes de dimension finie, nous mettrons en œuvre ce principe sur le cas d'un intégrateur non-holonome connu sous le nom de système de Brockett pour lequel nous imposons des contraintes sur l'état. La difficulté de cette étude provient du fait que l'on considère un problème de contrôle avec des contraintes sur l'état. Après cet exemple, nous nous intéressons à une extension du principe du maximum de Pontryagin au cas des systèmes de dimension infinie. Plus précisément, l'extension que nous considérons s'applique au cas de systèmes exactement contrôlables en tout temps. Typiquement, ce résultat s'applique à l'équation de Schrödinger avec contrôle interne. Pour de tels systèmes, sous une condition de contrôlabilité approchée, depuis un ensemble de temps non négligeable, nous montrons l'existence d'un contrôle bang-bang. Dans la seconde partie, nous étudions le problème de la nage à bas nombre de Reynolds. Une modélisation physique convenable nous permet de le formaliser comme un problème de contrôle. Nous obtenons alors un résultat de contrôlabilité sur ce problème. Plus précisément, nous montrons que quelque soit la forme du nageur, celui-ci peut se déformer légèrement pour suivre une trajectoire imposée. Nous étudions ensuite le cas d'un nageur à symétrie axiale. Les résultats de la première partie permettent alors la recherche d'un contrôle en temps optimal.

Předložená disertační práce se zabývá popisem charakteru optimální strategie řízení pro elektrický vlak a výpočtem přepínacích okamžiků mezi jednotlivými optimálními jízdními režimy pro standardní typy odporové funkce. S využitím Pontrjaginova principu a souvisejících nástrojů teorie optimálního řízení odvodíme optimální strategii řízení a rovnice pro výpočet přepínacích okamžiků včetně odpovídajících rychlostních profilů. Kromě základního tvaru úlohy o energeticky optimální jízdě vlaku budeme uvažovat i její modifikace zahrnující globální rychlostní omezení, sklon trati i časově-energeticky optimální řízení vlaku. Navíc uvedeme i analýzu řešení s využitím teorie nelineární parametrické optimalizace. Důraz je kladen na exaktní tvar řešení s minimálním využitím numerických metod.

Les Energies Marines Renouvelables (EMR) se développent aujourd’hui très vite tant au niveau de la recherche amont que de la R&D, et même des premiers démonstrateurs à la mer. Parmi ces EMR, l'énergie des vagues présente un potentiel particulièrement intéressant. Avec une ressource annuelle brute moyenne estimée à 40 kW/m au large de la côte atlantique, le littoral français est plutôt bien exposé. Mais l’exploitation à grande échelle de cette énergie renouvelable ne sera réalisable et pertinente qu'à condition d'une bonne intégration au réseau électrique (qualité) ainsi que d'une gestion et d'un dimensionnement optimisé au sens du coût sur cycle de vie. Une première solution de génération tout électrique pour un houlogénérateur a d’abord été évaluée dans le cadre de la thèse de Marie RUELLAN menée sur le site de Bretagne du laboratoire SATIE (ENS de Cachan). Ces travaux ont mis en évidence le potentiel de viabilité économique de cette chaîne de conversion et ont permis de poser la question du dimensionnement de l’ensemble convertisseur-machine et de soulever les problèmes associés à la qualité de l’énergie produite. Puis une seconde thèse a été menée par Judicaël AUBRY dans la même équipe de recherche. Elle a consisté, entre autres, en l’étude d’une première solution de traitement des fluctuations de la puissance basée sur un système de stockage par supercondensateurs. Une méthodologie de dimensionnement de l’ensemble convertisseur-machine et de gestion de l’énergie stockée fut également élaborée, mais en découplant le dimensionnement et la gestion de la production d’énergie et de ceux de son système de stockage. Le doctorant devra donc : 1. S’approprier les travaux antérieurs réalisés dans le domaine de la récupération de l’énergie des vagues ainsi que les modèles hydrodynamiques et mécaniques réalisés par notre partenaire : le LHEEA de l’Ecole Centrale de Nantes - 2. Résoudre le problème du couplage entre dimensionnement/gestion de la chaîne de conversion et dimensionnement/gestion du système de stockage. 3. Participer à la réalisation d’un banc test à échelle réduite de la chaine électrique et valider expérimentalement les modèles énergétiques du stockage et des convertisseurs statiques associés - 4. Proposer une méthodologie de dimensionnement de la chaine électrique intégrant le stockage et les lois de contrôle préalablement élaborées 5. Déterminer les gains en termes de capacités de stockage obtenus grâce à la mutualisation de la production (parc de machines) et évaluer l’intérêt d’un stockage centralisé - 6. Analyser l’impact sur le réseau d’une production houlogénérée selon divers scenarii, modèles et outils développés par tous les partenaires dans le cadre du projet QUALIPHE. L’exemple traité sera celui de l’Ile d’Yeu (en collaboration avec le SyDEV. / The work of this PhD thesis deals with the minimization of the per-kWh cost of direct-drive wave energy converter, crucial to the economic feasibility of this technology. Despite the simplicity of such a chain (that should provide a better reliability compared to indirect chain), the conversion principle uses an oscillating system (a heaving buoy for example) that induces significant power fluctuations on the production. Without precautions, such fluctuations can lead to: a low global efficiency, an accelerated aging of the fragile electrical components and a failure to respect power quality constraints. To solve these issues, we firstly study the optimization of the direct drive wave energy converter control in order to increase the global energy efficiency (from wave to grid), considering conversion losses and the limit s from the sizing of an electrical chain (maximum force and power). The results point out the effect of the prediction horizon or the mechanical energy into the objective function. Production profiles allow the study of the flicker constraint (due to grid voltage fluctuations) linked notably to the grid characteristics at the connection point. Other models have also been developed to quantify the aging of the most fragile and highly stressed components, namely the energy storage system used for power smoothing (with super capacitors or electrochemical batteries Li-ion) and power semiconductors.Finally, these aging models are used to optimize key design parameters using life-cycle analysis. Moreover, the sizing of the storage system is co-optimized with the smoothing management.